Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN Mục tiêu: Sau khi đọc chương này sinh viên có thể: - Định nghĩa được động cơ đốt trong, biết rõ về lịch sử hình thành và phát triển của động cơ đốt trong. - Hiểu được các định nghĩa và các khái niệm của động cơ đốt trong. - Định nghĩa được các thông số cơ bản của động cơ đốt trong. Phần đầu của chương giới thiệu khái quát về động cơ đốt trong, lịch sử hình thành và phát triển của động cơ đốt trong.
Phần tiếp theo trình bày về các khái niệm được sử dụng và phần cuối cùng đề cập đến các thông số cơ bản của động cơ đốt trong. KHÁI QUÁT VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1. Giới thiệu về động cơ đốt trong Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, tạo ra công cơ học bằng cách đốt nhiên liệu bên trong động cơ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xy lanh của động cơ đốt trong.
Khi đốt cháy, nhiệt độ tăng làm cho khí đốt giãn nở tạo nên áp suất tác dụng lên một piston, đẩy piston di chuyển sinh công. Chuyển động tịnh tiến của piston làm quay trục khuỷu, sau đó làm bánh xe chuyển động nhờ xích tải hoặc trục truyền động. Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính để dẫn động cho các phương tiện giao thông vận tải, trong đó phổ biến nhất là dẫn động cho ô tô chuyển động. Động cơ đốt trong hiện nay gồm có: động cơ đốt trong piston tịnh tiến, piston quay và tua bin khí.
Hiện nay về cơ bản động cơ sử dụng trên ô tô là động cơ đốt trong kiểu piston tịnh tiến, nhiên liệu sử dụng chủ yếu là xăng và diesel. Về nguyên lý hoạt động thì hai loại động cơ xăng và diesel là gần giống nhau, chúng chỉ khác nhau về phương pháp đốt cháy, hình thành hỗn hợp hoà khí (không khí – nhiên liệu). Động cơ xăng có tốc độ cao, rất cơ động, công suất phát ra lớn, buồng đốt gọn, được sử dụng rộng rãi ở các xe chở khách và xe tải 15 nhỏ…Động cơ diesel có hiệu suất nhiệt lớn, công suất cao hơn, tiết kiệm nhiên liệu và tốc độ động cơ nhỏ hơn động cơ xăng. Chính vì vậy nó thường được dùng để dẫn động trên các loại ô tô du lịch từ bảy chỗ trở lên, ô tô buýt, ô tô tải, các loại phương tiện thương mại… 1.
Lịch sử hình thành động cơ đốt trong Ý tưởng về động cơ được hình thành từ năm 1506, từ những bức vẽ của danh họa nổi tiếng Leonardo da Vinci. Hơn một thế kỷ sau, nhà vật lý học người Đức Christiaan Huygens tiếp tục phát triển ý tưởng của Leonardo da Vinci khi thiết kế loại động cơ chạy bằng thuốc súng đầu tiên vào năm 1673. Tuy nhiên, loại động cơ này đã không được đưa vào sản xuất. Vào năm 1807, Francois Isaac De Rivaz, người Thụy Điển, đã phát minh ra loại động cơ đốt trong dùng hỗn hợp khí Hydro và Oxy làm nhiên liệu.
Rivaz cũng thiết kế riêng một chiếc xe sử dụng động cơ này. Tuy nhiên, thiết kế của ông đã không thành công như mong đợi. Năm 1823, dựa trên ý tưởng của Leonardo, Samual Brown cho ra đời một loại động cơ được cải tiến từ động cơ hơi nước. Được chạy thử thành công trên một chiếc xe ở khu đồi Shooter (Anh) nhưng loại động cơ này đã không trở nên phổ biến vì nó khá lạc hậu so với tình hình giao thông lúc bấy giờ.
Mãi tới năm 1860, lịch sử ngành động cơ xe hơi mới được chính thức bắt đầu khi chiếc xe chạy bằng động cơ đốt trong đầu tiên được cấp bằng sáng chế. Động cơ đốt trong Động cơ đốt trong được phát minh vào năm 1860 bởi kỹ sư người Pháp có tên Jean Joseph Etienne Lenoir. Chiếc động cơ đầu tiên mà Lenoir chế tạo sử dụng nhiên liệu khí than và được trang bị một xylanh nằm ngang. Sau đó, vào năm 1864, Siegfried Marcus, người Áo, đã cải tiến động cơ đốt trong của Lenoir từ sử dụng nhiên liệu khí than sang sử dụng gas.
Chiếc động cơ này được gắn vào một chiếc xe có thể vận hành với vận tốc 16km/h. Lịch sử động cơ đốt trong bao gồm những sự kiện đáng chú ý như sau: - 1680: Nhà vật lý học người Đức Christiaan Huygens thiết kế loại động cơ chạy bằng thuốc súng (loại động cơ này không được đưa vào sản xuất). - 1807: Francois Isaac De Rivaz người Thụy Điển phát minh loại động cơ đốt trong dùng hỗn hợp khí Hydro và Oxy làm nhiên liệu. 16 Rivaz thiết kế riêng một chiếc xe sử dụng động cơ này (chiếc xe đầu tiên gắn động cơ đốt trong), tuy nhiên thiết kế của ông đã không thành công như mong đợi.
- 1824: Kỹ sư người Anh, Samuel Brown cải tiến một động cơ hơi nước cũ Newcomen thành động cơ chạy gas và thử nghiệm trên một chiếc xe trên khu đồi Shooter ở Anh. - 1858: Jean Joseph, một kỹ sư người Bỉ đã xin cấp bằng sáng chế cho chiếc xe động cơ đốt trong tác động kép, đánh lửa điện sử dụng nhiên liệu khí than (1860).1862: Kỹ sư người Pháp, ông Alphonse Beau De Rochas đệ đơn xin cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ số 52593 ngày 16 tháng 01 năm 1862 (nhưng đã không sản xuất). - Vào năm 1863, Lenoir gắn động cơ này (đã được cải tiến, sử dụng nhiên liệu xăng và bộ chế hòa khí đơn giản) vào một chiếc xe coòng ba bánh và thực hiện thành công chuyến đi mang tính lịch sử với quãng đường 80km. - 1864: Siegfried Marcus, kỹ sư người Áo đã chế tạo một loại động cơ xy lanh với bộ chế hòa khí rất thô sơ và sau đó gắn lên một chiếc xe ngựa và đã vận hành thành công trên quãng đường đá dài 152,4m.
Vài năm sau đó, Marcus thiết kế một chiếc xe có thể vận hành với tốc độ 16km/giờ và một số sử gia cho rằng đây mới chính là chiếc xe sử dụng động cơ xăng đầu tiên trên thế giới. - 1866: Hai kỹ sư người Đức, Eugen Langen và Nikolas August Otto đã cải tiến các thiết kế của Lenoir và De Rochas và đã tạo ra được động cơ chạy gas có hiệu suất lớn hơn. - 1873: Kỹ sư người Mỹ, George Brayton phát triển (nhưng không thành công) loại động cơ hai kỳ chạy dầu hỏa (loại động cơ này dùng hai xylanh bơm ngoài). Tuy vậy, loại động cơ này được coi như là động cơ dầu an toàn có giá trị ứng dụng đầu tiên.
- 1876: Nikolas August Otto phát minh thành công và được cấp bằng sáng chế động cơ bốn kỳ thì - loại động cơ này thường được gọi là “Chu kỳ Otto” - 1876: Dougald Clerk chế tạo thành công động cơ hai kỳ đầu tiên - 1883: Kỹ sư người Pháp, ông Edouard Delamare – Deboutevile chế tạo động cơ 4 xy lanh chạy bằng gas đốt lò. Không thể chắc chắn rằng những gì ông làm có phải là chế tạo ôtô hay không, tuy nhiên, thiết kế của ông khá tiến bộ vào thời điểm đó, về một phương diện nào đó còn tiên tiến hơn cả thiết kế của Daimler và Benz, ít nhất là về lý thuyết. 17 - 1885: Gottlieb Daimler phát minh loại động cơ có thể được coi như là nguyên mẫu của động cơ xăng hiện nay với xylanh thẳng đứng và sử dụng bộ chế hòa khí (cấp bằng năm 1889). Daimler lần đầu tiên chế tạo xe hai bánh gắn động cơ có tên “Reitwagen”, một năm sau đó từ loại động cơ này ông đã chế tạo chiếc ôtô 4 bánh đầu tiên trên thế giới.
- 1886: Vào ngày 29 tháng 01, Kar Benz nhận bằng sáng chế đầu tiên cho xe ôtô với động cơ xăng. - 1888: Daimler chế tạo động cơ bốn kỳ cải tiến có xupáp hình nấm và 2 xylanh nghiêng kiểu chữ V. Động cơ chữ V đầu tiên ra đời vào năm 1888, là sản phẩm của Gottlieb Daimler và Wilhelm Maybach. Động cơ có góc V (góc giữa hai hàng xylanh) bằng 170 dung tích 1050 cc, tạo công suất 4 mã lực tại 900 vòng/phút.
- 1890: Wilhelm Mayback chế tạo động cơ bốn kỳ, 4 xylanh đầu tiên. Thiết kế động cơ và thiết kế ôtô là các công việc không thể tách rời, hầu hết các nhà thiết kế động cơ được nhắc đến ở trên kiêm luôn việc thiết kế xe ôtô và một số đã trở thành nhà sản xuất ôtô lớn nhất thế giới. Tất cả các sáng chế và phát minh của họ đều có đóng góp quan trọng trong tiến trình chế tạo ôtô với động cơ đốt trong. CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.
Định nghĩa và các khái niệm cơ bản trên động cơ đốt trong a. Điểm chết Hình 1. Khái niệm điểm chết trong động cơ đốt trong 18 Điểm chết là vị trí cuối cùng của piston khi chuyển động một hành trình trong xylanh. Tại đó vận tốc của piston bằng không và piston bắt đầu đổi chiều chuyển động.
Như vậy, điểm chết có hai vị trí: - Điểm chết trên (ĐCT): là vị trí mà piston nằm xa trục khuỷu nhất. - Điểm chết dưới (ĐCD): là vị trí piston nằm gần tâm trục khuỷu nhất. Hành trình của piston (L) Hành trình của piston là khoảng cách dịch chuyển của piston giữa hai điểm chết trên và điểm chết dưới, ký hiệu là L 𝐿 = 2.1) Với a là bán kính quay của trục khuỷu. B - Đường kính xylanh.
L - Hành trình piston. l - Chiều dài thanh truyền. a – Bán kính quay của trục khuỷu. Vc – Thể tích buồng cháy.
Vd – Thể tích công tác. Sơ đồ cấu tạo động cơ đốt trong c. Thể tích buồng cháy (𝐕𝐜 ) Thể tích buồng cháy là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, thân máy và nắp máy khi piston ở điểm chết trên, ký hiệu là 𝑉𝑐. Thể tích công tác (𝐕𝐝 ) Thể tích công tác là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi hai mặt cắt vuông góc với đường tâm xylanh qua hai điểm chết.
- Đối với động cơ chỉ có một xylanh thì thể tích công tác được tính như sau: 𝜋.2) 4 - Đối với động cơ có Nc xylanh thì thể tích công tác của động cơ là: 𝜋.3) 4 Trong đó: B – Đường kính của xylanh [m]. L – Hành trình của piston [m]. Nc – Số xylanh của động cơ. Thể tích toàn bộ (𝐕𝐚 ) Thể tích toàn bộ là khoảng không gian trong xylanh được giới hạn bởi đỉnh piston, thân máy và nắp máy khi piston ở điểm chết dưới, ký hiệu là 𝑉𝑡.
Các thông số đặc trưng của động cơ đốt trong 1. Tính chất hình học của động cơ đốt trong a. Tỷ số nén (𝐫𝐜 ): 𝑉𝑑 + 𝑉𝑐 𝑟𝑐 = 𝑉𝑐 b.